磨料射流切割樁基鋼筋性能試驗研究

曹文正， 余家樂， 李 堯, *

(1. 山東大學巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟南 250061； 2. 中建八局第一建設(shè)有限公司濟南公司， 山東 濟南 250000)

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工因具有安全、高效、對地面擾動小等眾多優(yōu)點，在城市隧道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，盾構(gòu)施工中經(jīng)常會遭遇到各類地下障礙物，尤其是樁基、地下連續(xù)墻等鋼筋混凝土構(gòu)筑物[1]，并且傳統(tǒng)的地面拔樁、爆破清障等方法受限于復雜的城市工程環(huán)境而難以實施[2-3]。隧道掘進機僅依靠機械切割作用破障，效率低下，刀具磨耗大，刀具卷刃、崩斷以及鋼筋纏繞刀盤等問題頻發(fā)[4]。為解決上述難題，需積極探索高效的破障方法。其中，超高壓磨料水射流在物料切割和機械加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有清潔環(huán)保、高效、易于實現(xiàn)等優(yōu)勢[5]，從而得到廣泛關(guān)注。將高壓射流技術(shù)與盾構(gòu)刀具相結(jié)合，使用磨料射流沖蝕鋼筋造成預(yù)損傷，再利用刀具對損傷處進行切割，可以在高效破除鋼筋混凝土的同時降低刀具與鋼筋發(fā)生碰撞摩擦時的損耗，在破解盾構(gòu)高效穿越城市障礙物難題方面具有巨大潛力。

目前，磨料射流聯(lián)合機械刀具破巖已在采礦領(lǐng)域進行了廣泛研究和實踐，并成功研發(fā)了具有射流輔助作用的PDC水力鉆頭、硬巖破碎鉆頭[6-8]等開采工具。研究表明，射流在適當位置輔助刀具破巖時，刀具受力可減少 30%～50%[8]。有學者在盾構(gòu)搭載磨料射流破巖破障方面做出了初步探索，如： 鋼筋混凝土先經(jīng)磨料水射流切割，再由盾構(gòu)截齒切割，渣片中大粒徑混凝土碎塊占比減少，鋼筋碎塊長度適中，滿足設(shè)備出渣需求[9]；通過磨料射流輔助，轉(zhuǎn)矩可以控制在模擬盾構(gòu)額定轉(zhuǎn)矩的50%以下[10]。這些研究結(jié)果初步驗證了磨料射流輔助盾構(gòu)破障的有效性和可行性，然而以上研究成果是基于小靶距(小于2 cm)、慢速(小于0.5 m/min)、單次切割的工況條件，參數(shù)范圍與盾構(gòu)搭載條件的地下既有樁基拆除有很大區(qū)別。實際盾構(gòu)施工中開挖面起伏大，且刀盤外圈作業(yè)時具有很高的線速度，搭載于盾構(gòu)上的磨料射流設(shè)備工作時需要留有較大的靶距和較高的橫移速度，且對于如何優(yōu)化控制參數(shù)、評價切割效率、實現(xiàn)射流刀盤搭載最優(yōu)布置等，仍有待進一步研究。

針對上述研究現(xiàn)狀，本文擬開展高泵壓(最高360 MPa)、大靶距(5 cm以上)、大流量(18 L/min)和高橫移速度(3 m/min以上)條件下后混合磨料射流切割樁基鋼筋試驗研究；根據(jù)鋼筋切割性能指標(深度、寬度、體積)與參數(shù)之間的關(guān)系，確定鋼筋切割過程的有效參數(shù)，并從射流動能角度分析控制參數(shù)和多次切割對切割效率的影響，揭示各參數(shù)作用下鋼筋沖蝕效果及切縫形態(tài)的變化規(guī)律，以探究盾構(gòu)搭載條件下磨料射流破除鋼筋混凝土的高效切割工況組合。

1 試驗裝置、材料和方案

1.1 試驗裝置

高壓射流切割鋼筋試驗裝置包括高壓泵組、切割平臺、磨料輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，如圖1所示。高壓泵組采用APW410-70型超高壓大流量泵組單元，包含6個獨立的美國海寶增壓器，最大輸出水量為24 L/min,最高輸出壓力為410 MPa，支持壓力在0～410 MPa任意調(diào)整。試驗采用2種規(guī)格的寶石水噴嘴，直徑分別為0.3 mm和0.8 mm。切割平臺采用懸臂式切割機床APW2510BB，通過絲杠帶動噴頭滑動來調(diào)節(jié)噴頭在XY方向上的移動及移動速度，Z方向通過減速機控制升降。磨料輸送系統(tǒng)由磨料箱、磨料輸送導管、混合腔和混砂管組成?；焐肮苤睆綖?.38 mm、長為71.4 mm。磨料選用24目石榴石(粒徑0.65 mm)，采用自吸式后混合供料方式。磨料在壓力差的作用下，經(jīng)由導管從磨料箱被吸入混合腔，低速的磨料與高速水射流相互接觸，與磨料發(fā)生動量交換，使磨粒加速，通過混砂管形成磨料水射流。控制系統(tǒng)用來設(shè)定控制參數(shù)和切割次數(shù)。通過控制系統(tǒng)的操作平臺調(diào)整水壓、橫移速度、靶距至穩(wěn)定。

圖1 高壓射流切割鋼筋試驗裝置

1.2 試驗材料

采用同一批次生產(chǎn)的13根長為500 mm、直徑為28 mm的HRB400鋼筋進行試驗，該鋼筋為地下樁基及地下連續(xù)墻常用受力筋型號，通過固定夾固定于載物臺上，以防止鋼筋在試驗中錯位移動。1根鋼筋可進行多個工況試驗，相鄰工況之間的間距大于2 cm，以防止試驗之間相互干擾。測取數(shù)據(jù)為鋼筋切縫切割深度、切割寬度及切割體積。切割深度和切割寬度用游標卡尺測量，切割體積通過填充鋼筋切縫的填充物體積測量。同一工況重復3次試驗，進行多次測量求平均值，以減少隨機誤差。

1.3 試驗方案

對泵壓研究采用單變量試驗設(shè)計，其他控制參數(shù)采用完全試驗設(shè)計，工況設(shè)置考慮盾構(gòu)實際工作環(huán)境及狀態(tài)。試驗選擇的橫移速度分別為3、4.5、6、7.5、10、12 m/min，以模擬旋轉(zhuǎn)刀盤上不同位置的線速度。試驗選擇的壓力范圍為160～360 MPa，每40 MPa設(shè)置1個工況?？紤]到刀盤與掌子面的距離關(guān)系，靶距設(shè)置為5、10、15 cm，每個工況組合測量其5次切割與20次切割條件下的切割深度、切割寬度與切割體積數(shù)據(jù)。對于橫移速度為4.5 m/min的工況，增加切割次數(shù)為10、15次的測量數(shù)據(jù)。泵壓試驗參數(shù)和切割試驗參數(shù)見表1和表2。

表1 泵壓試驗參數(shù)

表2 切割試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果

磨料射流切割切口損傷狀態(tài)如圖2所示。一般來說，橫移速度越低、水壓越高、靶距越小、水流量越大的工況會有較深的切縫，這在以往的研究成果中已被證明。此外，沿鋼筋軸向方向觀測切縫、高橫移速度下切縫輪廓呈具有一定角度的三角形錐體，隨著切縫向下延伸，切口寬度逐漸變窄。

(a) 鋼筋切割結(jié)果

2.1 泵壓

圖3示出了不同靶距下切割深度與切割寬度隨泵壓變化曲線。由圖3(a)可以看出： 切割深度隨著泵壓的增加而增加；當泵壓大于200 MPa時，切割深度隨泵壓呈線性變化；當泵壓小于200 MPa時，切割深度隨泵壓降低非線性減小。在某一泵壓以下，磨料射流對鋼筋不產(chǎn)生沖蝕破壞，此泵壓稱為臨界泵壓?？芍?，在本試驗工況下得出的鋼筋侵蝕臨界泵壓約為150 MPa，當靶距增大至10 cm時，臨界泵壓略微增加，約為157 MPa。由圖3(b)可以看出： 隨著泵壓增加，切割寬度幾乎無變化；靶距的增加使切割寬度顯著增加，切割寬度對泵壓的敏感性也略微增加。

(a) 泵壓對切割深度的影響

2.2 橫移速度

圖4示出了不同水噴嘴直徑和不同靶距下切割深度與橫移速度之間的關(guān)系。由圖4(a)可以看出，切割深度隨著橫移速度的增加而非線性地減小。對于不同的靶距和流量，切割深度對橫移速度的敏感性是不同的。當橫移速度較低(<7.5 m/min)時，各工況之間的切割深度差距明顯，大流量小靶距工況下切割深度對橫移速度的敏感性更高。然而，在橫移速度較高(>7.5 m/min)時，不同工況之間的切割深度差距變小，靶距和流量對切割深度-橫移速度曲線的趨勢幾乎無影響。數(shù)據(jù)分析得出，2種型號水噴嘴對應(yīng)的流量相差6倍，但是對應(yīng)的切割深度的差距小于2倍，在較高橫移速度下采用大流量的效果不明顯，經(jīng)濟性差。

(a) 360 MPa泵壓

圖5示出了不同水噴嘴直徑和不同泵壓下切割寬度與橫移速度之間的關(guān)系。由圖5可以看出： 切割寬度隨著橫移速度減小呈現(xiàn)非線性增大趨勢；橫移速度從12 m/min減小至4.5 m/min的過程中，切割寬度有加速增大的趨勢；但橫移速度小于4.5 m/min時，切割寬度增長速度變緩。變緩的原因可能是混砂管對水流的約束作用，使得切割寬度不能無限制加速增長。壓力的變化幾乎不會改變切割寬度對橫移速度的敏感性，大流量在低橫移速度下有更好的切割寬度表現(xiàn)。

(a) 10 cm靶距

2.3 靶距

靶距定義為混砂管尖端與目標材料表面之間的距離。圖6示出了不同泵壓和不同切割次數(shù)下切割深度與靶距之間的關(guān)系。由圖6可以看出，切割深度隨著靶距的增加而線性減小。與小流量工況相比，在大流量工況下切割深度會明顯變大，但流量大小幾乎不會影響切割深度對靶距的參數(shù)敏感性。切割深度降低是霧化作用導致的，靶距的增加將使得更多射流能量在氣-液界面接觸過程中耗散，因此，傳遞到鋼筋的能量密度降低，切縫變淺[11]。圖7示出了不同泵壓和不同切割次數(shù)下切割寬度與靶距之間的關(guān)系。由圖7可以看出： 切割寬度隨著靶距的增加而增加；切割寬度受水壓的影響較?。煌ㄟ^反復切割鋼筋，切割寬度會在一定程度上擴大(相當于增加了射流沖蝕鋼筋的時間)。因此，在其他條件不變的情況下，存在一個使切割體積達到最大的最佳靶距。圖8示出了不同泵壓和不同水噴嘴直徑下切割體積與靶距之間的關(guān)系。由圖8可以看出，靶距從5 cm增大至10 cm時，切割體積只有很小的變化，此后隨著靶距增大，切割體積開始逐漸減小?？梢灶A(yù)測，此工作條件的最佳靶距在5～10 cm。壓力對切割體積的影響很大，因為隨著壓力的增加，切割深度將線性增加，而切割寬度的變化不顯著。

(a) 0.8 mm直徑水噴嘴

(a) 0.8 mm直徑水噴嘴

(a) 20次切割

3 射流切割效率分析

3.1 射流效率指標

通常，高壓力、大流量和低橫移速度的磨料射流會產(chǎn)生更大的切深，然而，制造高水壓射流需要先進的泵組，降低橫移速度會導致工期延長和資源的浪費，從切割效率的角度來看可能不理想。因此，定義了切割深度和切割體積2個切割效率指標，效率指數(shù)越大，表示工況具有更高的效率。

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：ID為切割深度效率指數(shù)，mm/kJ；IV為切割體積效率指數(shù)，mm3/kJ；D為切割深度；V為單位長度的切割體積，mm3；Ea為有效動能，kJ；N為切割次數(shù)。

磨料水射流的射流動能可以從水、氣、固三相磨料中產(chǎn)生[12]。對于典型的水射流系統(tǒng)，氣體的質(zhì)量流量很小，可以忽略不計。一般來說，在磨料水射流對金屬侵蝕的射流動能模型中，雖然高速水流具有噴射能量，但沒有磨料的水射流直接沖蝕鋼筋，幾乎不會侵蝕堅硬的鋼筋表面。在磨料射流中，水的侵蝕被認為是可以忽略的[13]。根據(jù)伯努利方程，射流在瞬時的有效動能表示為

(3)

在非彈性碰撞理論中，磨料的速度可以利用單位時間通過的水流質(zhì)量與消耗磨料之間的動量傳遞規(guī)律獲得。

(4)

式中：t為射流曝光時間；do為射流沖擊面積直徑與水噴嘴直徑的比值；vt為射流橫移速度。

因此，將式(4)代入式(3)，得

(5)

3.2 參數(shù)組合的效率分析

切割效率隨射流能量而變化。輸入功率由壓力和流量共同決定，因此，壓力和流量是控制射流能量的最直接因素。圖9示出了4種壓力和流量組合下切割深度效率和切割體積效率的分布。對于磨料射流輔助盾構(gòu)破除地下鋼筋混凝土施工來說，②區(qū)域的點所對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置是較優(yōu)的。④區(qū)域的點所對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置僅次于②區(qū)域，因為在刀具破壞鋼筋的時候，更深的預(yù)先切槽會使損傷處產(chǎn)生更大的集中應(yīng)力，鋼筋更容易被刀具切斷。③區(qū)域的點所對應(yīng)的工況切割效率低，意味著更多的能量被消耗。在本文中高壓力被認定為300 MPa以上的壓力，大流量代表使用直徑為0.8 mm水噴嘴的工況。

圖9 4種壓力和流量組合下切割深度效率和切割體積效率的分布

當采用小流量和低壓力時，切割效率較低；當采用大流量和高壓力時，切割效率明顯提高。更高的壓力會使得切割體積效率變得更高，有更多的點分布在①區(qū)域和②區(qū)域，升高壓力同樣會提高切割深度效率。小流量工況下，切割體積效率是偏低的，切割深度效率與大流量工況差別不大。使用大流量的工況在切割體積效率上有更好的表現(xiàn)(更多的點分布在①區(qū)域和③區(qū)域)，但大流量工況沒有明顯提高切割深度效率。一個可能的原因是試驗中固定了磨料給進量，當磨料給進率偏低時，磨料更容易被高壓水流打碎成細小粉末，粉末在流束中更容易被霧化，無法對鋼筋產(chǎn)生有效沖蝕。也就是說，可能存在一個最佳的磨料給進率，這個磨料給進率與流量是相關(guān)的，如果提高磨料給進率，大流量工況下的切割效率會提高。

3.3 多次切割的效率分析

在實際應(yīng)用中，水射流切割作業(yè)需要在同位置進行反復切割。由于能量損失，每次切割增加深度可能有所不同。因此，有必要確定多次切割過程中能量的損失。圖10示出了切割次數(shù)對切割深度和切割體積及其效率的影響。由圖10可以看出： 隨著切割次數(shù)的增加，切割深度和切割體積增大，單刀切割效率降低；多次切割對切割深度能量損失的影響大于切割體積。

(a) 切割次數(shù)對切割體積及其效率的影響

能量損失有2種解釋： 首先是當切割次數(shù)增加時，鋼筋的幾何形狀發(fā)生了變化(如切縫變窄)；其次是切割過程中射流與被切縫的內(nèi)壁之間產(chǎn)生摩擦，耗散了能量，從而降低了切割效率。

4 結(jié)論與討論

本文基于盾構(gòu)施工環(huán)境和施工特點，進行不同泵壓、流量、靶距、橫移速度組合下的磨料射流切割鋼筋試驗，研究了切割性能(深度、寬度、體積)與有效參數(shù)之間的關(guān)系，分析了不同參數(shù)組合下的切割效率，并得出以下結(jié)論。

1)隨著泵壓增大，切割深度線性增加，切割寬度略有增加，存在使鋼筋開始破壞的臨界壓力，試驗條件下的侵蝕臨界壓力約為150 MPa，改變靶距對臨界壓力影響很小。

2)隨著橫移速度增加，切割深度急劇下降，切割寬度非線性減小。橫移速度小于7.5 m/min時，切割深度受靶距和流量影響顯著。

3)存在使切割體積達到最大的最佳靶距，在本試驗參數(shù)范圍內(nèi)，最佳靶距為5～10 cm。流量越小，最佳靶距越小。

4)考慮多次切割時，增加切割次數(shù)會降低單次切割的切割深度和切割體積。隨著切割次數(shù)增加，切割體積效率緩慢下降，切割深度效率顯著下降。本研究中，相對于5次切割的結(jié)果，20次切割的切割體積效率減少12.14%，切割深度效率減少42.5%。

進行搭載磨料射流的盾構(gòu)研發(fā)時，應(yīng)在條件允許的范圍內(nèi)采用高壓設(shè)備，并盡可能降低刀盤轉(zhuǎn)速。設(shè)計時應(yīng)注意刀具與噴頭的空間關(guān)系，確保噴頭與掌子面的距離在合理范圍內(nèi)。本研究所進行的效率分析是基于能量角度考慮的，還需深入研究破障的時間成本和能量轉(zhuǎn)化效率。